機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件

第6章

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)

第6章

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)

本章要求：了解：機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及可靠性、安全性設(shè)計(jì)。

本章要求：了解：機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的設(shè)計(jì)過程：1.了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制定出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案（初步設(shè)計(jì)方案）2.進(jìn)行定量的分析計(jì)算，先是穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，后是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算（詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案）3.樣機(jī)試驗(yàn)與調(diào)試，確定系統(tǒng)的實(shí)際電路與實(shí)際參數(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

此外，設(shè)計(jì)過程中，要充分注意系統(tǒng)的安全性、可靠性要求。以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。位置穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及過載能力的驗(yàn)算、各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)的有效傳遞、各級(jí)增益的分配、各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求;通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)作用：考慮了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(shù)伺服系統(tǒng)基本概念

伺服系統(tǒng)也稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。它是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的，其工作過程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過渡過程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象測量、反饋元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖比較元件伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)也稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能1電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分

在控制信號(hào)傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口

在反饋信號(hào)傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成許多機(jī)電一體化產(chǎn)品需要對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，其功能是通過機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，它本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。1電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分在控制信號(hào)傳遞路線上，以6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.1典型負(fù)載分析(1)典型負(fù)載◆慣性負(fù)載◆外力負(fù)載為便于分析，將具體的負(fù)載分解為幾種典型負(fù)載，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行◆彈性負(fù)載◆摩擦負(fù)載負(fù)載分析的目的：獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析打下基礎(chǔ)。6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.1典型負(fù)載分析(2)負(fù)載的等效換算被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)有直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被控對(duì)象與執(zhí)行元件有直接聯(lián)系的，也有通過傳動(dòng)裝置聯(lián)接的。執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩（或力、功率）、加減速控制及制動(dòng)方案的選擇，應(yīng)與被控對(duì)象的固有參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）相互匹配。因此，要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)載（力或轉(zhuǎn)矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力（直線運(yùn)動(dòng)）。6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方圖6.1伺服進(jìn)給系統(tǒng)示意下面以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加以說明圖6.1伺服進(jìn)給系統(tǒng)示意下面以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例1)求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_——執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)1)求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為設(shè)等2)求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為2)求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所3)計(jì)算舉例。求等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmeq和等效轉(zhuǎn)矩Tmeq解：1)求Jmeq

，根據(jù)式(6.4)可得因?yàn)?)計(jì)算舉例。求等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmeq和等所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件擬定系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合分析，選擇與被控對(duì)象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n基本上是所需最大轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配設(shè)等效到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tmeq，等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T慣，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí)，則為保證帶負(fù)載能正常的起動(dòng)和定位停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿足下列要求(6.9)(6.10)(6.11)6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方例：當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)某軸的伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸上所受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq=2.5Nm，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jmeq=3×10-2kgm2，由工作臺(tái)某軸的最高速度換算為電動(dòng)機(jī)輸出軸角速度m為50rad/s，等加速和等減速時(shí)間為t=0.5s，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為0.85，試選取與所需轉(zhuǎn)矩相匹配的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。解：等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為根據(jù)式(6.10)

，可知若選用110BF003反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84Nm，當(dāng)采用三相六拍通電方式，查表3.7可知，Tq/Tjmax=0.87,則因?yàn)?，滿足式(6.11)，故可選用110BF003反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)例：當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)某軸的伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸上所受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(2)系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)）在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，常先進(jìn)行預(yù)選，然后進(jìn)行必要的驗(yàn)算。預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率P可由下式確定(6.12)在預(yù)選電動(dòng)機(jī)功率后，應(yīng)進(jìn)行以下驗(yàn)算6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方1）過熱驗(yàn)算。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通近似不變的情況下，其等效轉(zhuǎn)矩式中：t1，t2——時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為T1、T2、。等效功率nN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（r/min）則所選電動(dòng)機(jī)的不過熱條件為式中：TN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（N.m）

PN——電動(dòng)機(jī)的額定功率（W）(6.13)(6.14)1）過熱驗(yàn)算。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通近似不變的2）過載驗(yàn)算。式中：km——電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄中給出(6.15)2）過載驗(yàn)算。式中：km——電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.3減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配總減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇決定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳，同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿足最大轉(zhuǎn)速要求等。其確定方法有以下幾種：(6.16)1）使加速度最大的選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)變化快、即加速度很大時(shí)，應(yīng)使6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)近似恒速，即加速度很小時(shí)，應(yīng)使3）滿足送進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當(dāng)量δ、步距角α和絲杠基本導(dǎo)程l0之間的匹配關(guān)系(6.18)4）對(duì)速度和加速度均有一定要求的選擇方法。先按上述1）條選擇減速比i，然后驗(yàn)算是否滿足iLmax≤m，式中的Lmax為負(fù)載的最大角速度；m為電動(dòng)機(jī)輸出的角速度。(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)近似恒速，即根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就需要合理確定減速級(jí)數(shù)，最后分配各級(jí)的傳動(dòng)比（其分配原則可參見第2章）選擇減速級(jí)數(shù)時(shí)考慮的問題：1使齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG與電動(dòng)機(jī)軸上主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JP的比值較?。?避免級(jí)數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

一般可按圖A來選擇。各級(jí)傳動(dòng)比可按圖B來合理分配，一般應(yīng)使各級(jí)傳動(dòng)比按傳動(dòng)順序逐級(jí)增加（“先小后大”）圖A傳動(dòng)級(jí)數(shù)選擇曲線圖B傳動(dòng)比分配曲線根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置；另一方面是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)檢測裝置及信號(hào)的前向和后向通道。最后通過動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和2.2

機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇與設(shè)計(jì)2.2.4齒輪傳動(dòng)部件2.齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，各級(jí)傳動(dòng)比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則小功率傳動(dòng)時(shí)，i的分配各級(jí)相等；大功率傳動(dòng)時(shí)，i

的分配先大后小。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則傳動(dòng)比i

的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則傳動(dòng)比

i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高2.2機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇與設(shè)計(jì)2.2.4齒輪傳動(dòng)部件設(shè)各級(jí)齒輪換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（1，2，，8）換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末一級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。設(shè)各級(jí)齒輪換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.4檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)1.檢測傳感器的精度、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線性特性，信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入/輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設(shè)計(jì)主要考慮以下問題：1）功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件3）放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮4）輸入級(jí)應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應(yīng)有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整放大器電源為適應(yīng)各放大級(jí)的不同需要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。最關(guān)鍵的是動(dòng)力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓干擾信號(hào)從電源引入，所使用電源應(yīng)有足夠的保護(hù)措施。4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設(shè)計(jì)主要考3.2.3伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式3.2.3伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)2.半閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測位于

目標(biāo)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之前的某個(gè)中間部位（如伺服電動(dòng)機(jī)）運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋、

間接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)3.閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測

目標(biāo)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋，

直接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：從控制原理上講是一樣的，都是對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和反饋，并根據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。區(qū)別：傳感器檢測信號(hào)位置不同1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立（1）半閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立（2）全閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算二主諧振頻率的計(jì)算——機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算二主諧振式中：K為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（N.m/rad）

Jeqm為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）

Jeq為軸Ⅱ、Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及工作臺(tái)總質(zhì)量m等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）

JI為軸I上運(yùn)動(dòng)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）——機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率式中：K為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（N.m/rad）——機(jī)求：該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率6.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一般考慮方法和步驟：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補(bǔ)償）形式定量計(jì)算分析，找到所需補(bǔ)償裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性設(shè)計(jì)校正裝置將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。6.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方1.反饋控制系統(tǒng)１）

定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)２）

特點(diǎn)：①按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)②調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量小③能隨時(shí)了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（閉環(huán)）３）存在問題：①必須有偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用②調(diào)節(jié)不及時(shí)，被控變量總是變化的2、前饋控制系統(tǒng)：１）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點(diǎn)，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時(shí)，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。２）定義：是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對(duì)操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3)

特點(diǎn):①按干擾進(jìn)行控制，控制及時(shí)，精度高。②僅僅對(duì)前饋量有控制作用③不能隨時(shí)了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（開環(huán)）1.反饋控制系統(tǒng)6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部干擾相對(duì)應(yīng)的值，也就是說需要有一個(gè)變化過程，這個(gè)變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。當(dāng)系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出值達(dá)到與輸入相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)。在時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線的參數(shù)來表示。系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程有三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸圖6.14

單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線Ts—上升時(shí)間Ty—延滯時(shí)間Tt—調(diào)整時(shí)間%—最大超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定或雖然穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時(shí)，可先調(diào)整系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)，如仍不能滿足使用要求就需要校正，最簡單的校正網(wǎng)絡(luò)是PID調(diào)節(jié)器（P—比例、I—積分、D—微分）。圖6.14單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線Ts—上升時(shí)間當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)(1)PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖6.15

有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)類型所對(duì)應(yīng)的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)(1)PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖6.15有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)各種調(diào)節(jié)類型的特點(diǎn)及應(yīng)用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp的大小。Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也越好，但Kp太大會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其主要缺點(diǎn)是存在誤差。因此，對(duì)于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨(dú)采用比例(P)調(diào)節(jié)。積分(I)調(diào)節(jié)：主要優(yōu)點(diǎn)是能減少或消除誤差，但由于它響應(yīng)慢，故很少單獨(dú)采用。比例-積分(PI)調(diào)節(jié)：即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)：無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動(dòng)態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質(zhì)均比PI調(diào)節(jié)得到了改善，因此其應(yīng)用最為廣泛，但由于它含有微分作用，在噪聲大或要求響應(yīng)快的系統(tǒng)最好不要使用。各種調(diào)節(jié)類型的特點(diǎn)及應(yīng)用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取(2)PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用m為調(diào)節(jié)器的輸出；e為偏差信號(hào)；Kp為比例增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)(2)PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件積分比例微分被控對(duì)象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID調(diào)節(jié)原理：P（Proportional）：控制信號(hào)的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動(dòng)態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：積分比例微分被控對(duì)象r(t)+––+++u(t))c(t)6.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響(1)結(jié)構(gòu)諧振的影響結(jié)構(gòu)諧振（或機(jī)械諧振）——由傳動(dòng)裝置（或傳動(dòng)系統(tǒng)）的彈性變形而產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性變形與它的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料性能及受力狀況有關(guān)，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，因此分析起來相當(dāng)復(fù)雜。最簡單的辦法就是將整個(gè)系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負(fù)載軸上，也就是等效到負(fù)載軸上?，F(xiàn)以兩級(jí)齒輪傳動(dòng)為例來討論機(jī)械諧振對(duì)系統(tǒng)的影響。機(jī)械裝置的物理模型是質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的截止頻率，對(duì)動(dòng)態(tài)性能沒影響；結(jié)構(gòu)諧振頻接近或小于系統(tǒng)的截止頻率，出現(xiàn)自激振蕩，影響大；對(duì)要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出現(xiàn)自激振蕩。閉環(huán)系統(tǒng)基本上不會(huì)受結(jié)構(gòu)諧振的影響。6.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響(1)結(jié)構(gòu)諧振的影圖6.20

兩級(jí)齒輪減速器已知：i1,i2,Tm設(shè)T1,T2,T3,1,2,3則有根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈性扭轉(zhuǎn)角正比于其所承受的扭轉(zhuǎn)力矩，即（6.44）（6.45）可見，輸出軸3的變形對(duì)系統(tǒng)的影響最大、軸2次之、軸1最?。?.46）圖6.20兩級(jí)齒輪減速器已知：i1,i2,Tm則有根據(jù)彈性(2)減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施1）提高傳動(dòng)剛度?？商岣呓Y(jié)構(gòu)諧振頻率，一般使提高結(jié)構(gòu)諧振頻率的根本方法是增加傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、減小負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和采用合理的結(jié)構(gòu)布置提高剛度的措施：①加大傳動(dòng)系統(tǒng)最后幾根軸的剛度；

②采用無齒輪傳動(dòng)裝置；

③減小慣性元件的距離2）提高機(jī)械阻尼。能有效地降低振蕩環(huán)節(jié)的諧振峰值。3）采用校正網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)頻率頻率特性有一凹陷處，將此處對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率，就可抵消或削平結(jié)構(gòu)諧振峰值。4）應(yīng)用綜合速度反饋減小諧振。適合低摩擦系統(tǒng)中。實(shí)際的傳動(dòng)裝置較復(fù)雜，用校正（或補(bǔ)償）方法只能近似消除結(jié)構(gòu)諧振的影響。(2)減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施1）提高傳動(dòng)剛度?？商岣呓Y(jié)構(gòu)6.2.3傳動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)性能的影響(1)機(jī)械傳動(dòng)間隙理想的齒輪傳動(dòng)的輸入和輸出轉(zhuǎn)角之間是線性關(guān)系，即實(shí)際上，由于減速器的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間間隙的存在和傳動(dòng)方向的變化，齒輪傳動(dòng)的輸入轉(zhuǎn)角和輸出轉(zhuǎn)角之間呈滯環(huán)特性，如圖6.29所示圖6.29齒側(cè)間隙多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，各級(jí)齒輪間隙的影響是不相同的，現(xiàn)以一三級(jí)傳動(dòng)為例加以說明.6.2.3傳動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)性能的影響(1)機(jī)械傳動(dòng)間隙理想圖6.30

多級(jí)齒輪傳動(dòng)已知：i1,i2,i3，1,

2,

3,

R為主動(dòng)軸，C為從動(dòng)軸將所有的傳動(dòng)間隙都折算到輸出軸C上，其總間隙如果將其折算到輸入軸R上，其總間隙（6.64）（6.65）可見，最后一級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙

3影響最大

為了減小間隙的影響，除盡可能地提高齒輪的加工精度外，裝配時(shí)還應(yīng)減小最后一級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙。圖6.30多級(jí)齒輪傳動(dòng)已知：i1,i2,i3，1,(2)傳動(dòng)間隙的影響齒輪傳動(dòng)裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響也不同圖6.31傳動(dòng)間隙在閉環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)之內(nèi)的動(dòng)力傳動(dòng)鏈(G2)齒輪傳動(dòng)間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，

不影響系統(tǒng)的精度2)反饋回路上的傳動(dòng)鏈(G3)齒輪傳動(dòng)間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性

又影響系統(tǒng)的精度(2)傳動(dòng)間隙的影響齒輪傳動(dòng)裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙6.3可靠性、安全性設(shè)計(jì)可靠性——

指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。6.3.1可靠性設(shè)計(jì)總的來說，可靠性包括無故障性和耐久性兩方面的含義。（1）可靠性的基本概念無故障性——

指產(chǎn)品在某一時(shí)期內(nèi)（某一段工作時(shí)間內(nèi)），連續(xù)不斷地保持其工作能力的性能。耐久性——

指產(chǎn)品在整個(gè)使用期限內(nèi)和規(guī)定的維修條件下，保持其工作能力的性能。完成規(guī)定功能是指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效。對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為故障。6.3可靠性、安全性設(shè)計(jì)可靠性——指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定6.3可靠性、安全性設(shè)計(jì)根本方法：提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。具體方法：6.3.1可靠性設(shè)計(jì)（2）保證產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的方法◆裕度法◆

自動(dòng)控制法◆

冗余技術(shù)：掩蔽法◆

診斷技術(shù)：暴露法主要是一種改進(jìn)硬件的措施用硬件、軟件或兩者相結(jié)合來保證產(chǎn)品可靠性的措施6.3可靠性、安全性設(shè)計(jì)根本方法：提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量◆

冗余技術(shù)：又稱儲(chǔ)備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。表現(xiàn)：它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來，使產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能力。是一種掩蔽法。冗余方法分類：工作冗余和后備冗余選擇冗余方法的原則：P247-248采用冗余技術(shù)必須在充分進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)上采用，包括分析：

1.引起失效的真正原因

2.經(jīng)濟(jì)上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素機(jī)械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來提高可靠性。作用：推遲產(chǎn)品失效的時(shí)間基本思想：通過可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)此環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?！羧哂嗉夹g(shù)：又稱儲(chǔ)備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)◆

診斷技術(shù)：是一種檢測技術(shù)。用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效的位置信息。表現(xiàn)：它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或?qū)⒁霈F(xiàn)的故障及時(shí)暴露出來，以便迅速修復(fù)。是一種暴露法。作用：及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時(shí)間，提高產(chǎn)品的有效度。任務(wù)：兩個(gè)

見P248測試分類：1.診斷測試——故障出現(xiàn)之后

2.故障監(jiān)測——故障發(fā)生之前

診斷過程：測試，取得診斷信號(hào)——分離出癥兆——診斷癥兆：表征故障種類與位置的異常性信號(hào)。可分為兩類：1.直接癥兆——檢測產(chǎn)品整機(jī)或元部件的輸出參數(shù)時(shí)取得的2.間接癥兆——檢測與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)時(shí)取得的

診斷：將測試取得的診斷信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位?！粼\斷技術(shù)：是一種檢測技術(shù)。用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效表第6章

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)

第6章

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)

本章要求：了解：機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及可靠性、安全性設(shè)計(jì)。

本章要求：了解：機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的設(shè)計(jì)過程：1.了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制定出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案（初步設(shè)計(jì)方案）2.進(jìn)行定量的分析計(jì)算，先是穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，后是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算（詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案）3.樣機(jī)試驗(yàn)與調(diào)試，確定系統(tǒng)的實(shí)際電路與實(shí)際參數(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

此外，設(shè)計(jì)過程中，要充分注意系統(tǒng)的安全性、可靠性要求。以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。位置穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及過載能力的驗(yàn)算、各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)的有效傳遞、各級(jí)增益的分配、各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求;通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)作用：考慮了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(shù)伺服系統(tǒng)基本概念

伺服系統(tǒng)也稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。它是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的，其工作過程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過渡過程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象測量、反饋元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖比較元件伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)也稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能1電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分

在控制信號(hào)傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口

在反饋信號(hào)傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成許多機(jī)電一體化產(chǎn)品需要對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，其功能是通過機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，它本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。1電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分在控制信號(hào)傳遞路線上，以6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.1典型負(fù)載分析(1)典型負(fù)載◆慣性負(fù)載◆外力負(fù)載為便于分析，將具體的負(fù)載分解為幾種典型負(fù)載，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行◆彈性負(fù)載◆摩擦負(fù)載負(fù)載分析的目的：獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析打下基礎(chǔ)。6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.1典型負(fù)載分析(2)負(fù)載的等效換算被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)有直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被控對(duì)象與執(zhí)行元件有直接聯(lián)系的，也有通過傳動(dòng)裝置聯(lián)接的。執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩（或力、功率）、加減速控制及制動(dòng)方案的選擇，應(yīng)與被控對(duì)象的固有參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）相互匹配。因此，要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)載（力或轉(zhuǎn)矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力（直線運(yùn)動(dòng)）。6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方圖6.1伺服進(jìn)給系統(tǒng)示意下面以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加以說明圖6.1伺服進(jìn)給系統(tǒng)示意下面以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例1)求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_——執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)1)求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為設(shè)等2)求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為2)求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所3)計(jì)算舉例。求等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmeq和等效轉(zhuǎn)矩Tmeq解：1)求Jmeq

，根據(jù)式(6.4)可得因?yàn)?)計(jì)算舉例。求等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmeq和等所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件擬定系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合分析，選擇與被控對(duì)象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n基本上是所需最大轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配設(shè)等效到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tmeq，等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T慣，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí)，則為保證帶負(fù)載能正常的起動(dòng)和定位停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿足下列要求(6.9)(6.10)(6.11)6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方例：當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)某軸的伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸上所受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq=2.5Nm，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jmeq=3×10-2kgm2，由工作臺(tái)某軸的最高速度換算為電動(dòng)機(jī)輸出軸角速度m為50rad/s，等加速和等減速時(shí)間為t=0.5s，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為0.85，試選取與所需轉(zhuǎn)矩相匹配的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。解：等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為根據(jù)式(6.10)

，可知若選用110BF003反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84Nm，當(dāng)采用三相六拍通電方式，查表3.7可知，Tq/Tjmax=0.87,則因?yàn)椋瑵M足式(6.11)，故可選用110BF003反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)例：當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)某軸的伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸上所受等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(2)系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)）在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，常先進(jìn)行預(yù)選，然后進(jìn)行必要的驗(yàn)算。預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率P可由下式確定(6.12)在預(yù)選電動(dòng)機(jī)功率后，應(yīng)進(jìn)行以下驗(yàn)算6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方1）過熱驗(yàn)算。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通近似不變的情況下，其等效轉(zhuǎn)矩式中：t1，t2——時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為T1、T2、。等效功率nN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（r/min）則所選電動(dòng)機(jī)的不過熱條件為式中：TN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（N.m）

PN——電動(dòng)機(jī)的額定功率（W）(6.13)(6.14)1）過熱驗(yàn)算。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通近似不變的2）過載驗(yàn)算。式中：km——電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄中給出(6.15)2）過載驗(yàn)算。式中：km——電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)，一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.3減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配總減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇決定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳，同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿足最大轉(zhuǎn)速要求等。其確定方法有以下幾種：(6.16)1）使加速度最大的選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)變化快、即加速度很大時(shí)，應(yīng)使6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)近似恒速，即加速度很小時(shí)，應(yīng)使3）滿足送進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當(dāng)量δ、步距角α和絲杠基本導(dǎo)程l0之間的匹配關(guān)系(6.18)4）對(duì)速度和加速度均有一定要求的選擇方法。先按上述1）條選擇減速比i，然后驗(yàn)算是否滿足iLmax≤m，式中的Lmax為負(fù)載的最大角速度；m為電動(dòng)機(jī)輸出的角速度。(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)近似恒速，即根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就需要合理確定減速級(jí)數(shù)，最后分配各級(jí)的傳動(dòng)比（其分配原則可參見第2章）選擇減速級(jí)數(shù)時(shí)考慮的問題：1使齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG與電動(dòng)機(jī)軸上主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JP的比值較小；2避免級(jí)數(shù)過多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

一般可按圖A來選擇。各級(jí)傳動(dòng)比可按圖B來合理分配，一般應(yīng)使各級(jí)傳動(dòng)比按傳動(dòng)順序逐級(jí)增加（“先小后大”）圖A傳動(dòng)級(jí)數(shù)選擇曲線圖B傳動(dòng)比分配曲線根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置；另一方面是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)檢測裝置及信號(hào)的前向和后向通道。最后通過動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和2.2

機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇與設(shè)計(jì)2.2.4齒輪傳動(dòng)部件2.齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，各級(jí)傳動(dòng)比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則小功率傳動(dòng)時(shí)，i的分配各級(jí)相等；大功率傳動(dòng)時(shí)，i

的分配先大后小。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則傳動(dòng)比i

的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則傳動(dòng)比

i的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高2.2機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇與設(shè)計(jì)2.2.4齒輪傳動(dòng)部件設(shè)各級(jí)齒輪換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（1，2，，8）換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末一級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。設(shè)各級(jí)齒輪換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.1.4檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)1.檢測傳感器的精度、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線性特性，信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入/輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求6.1機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設(shè)計(jì)主要考慮以下問題：1）功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件3）放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮4）輸入級(jí)應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應(yīng)有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整放大器電源為適應(yīng)各放大級(jí)的不同需要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。最關(guān)鍵的是動(dòng)力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓干擾信號(hào)從電源引入，所使用電源應(yīng)有足夠的保護(hù)措施。4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設(shè)計(jì)主要考3.2.3伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式3.2.3伺服電動(dòng)機(jī)控制方式的基本形式1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)2.半閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測位于

目標(biāo)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之前的某個(gè)中間部位（如伺服電動(dòng)機(jī)）運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋、

間接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)3.閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測

目標(biāo)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋，

直接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：從控制原理上講是一樣的，都是對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和反饋，并根據(jù)偏差對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。區(qū)別：傳感器檢測信號(hào)位置不同1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立（1）半閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立（2）全閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算一系統(tǒng)數(shù)學(xué)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算二主諧振頻率的計(jì)算——機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率6.1.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算二主諧振式中：K為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（N.m/rad）

Jeqm為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）

Jeq為軸Ⅱ、Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及工作臺(tái)總質(zhì)量m等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）

JI為軸I上運(yùn)動(dòng)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）——機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率式中：K為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（N.m/rad）——機(jī)求：該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率6.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一般考慮方法和步驟：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補(bǔ)償）形式定量計(jì)算分析，找到所需補(bǔ)償裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性設(shè)計(jì)校正裝置將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。6.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二

——機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方1.反饋控制系統(tǒng)１）

定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)２）

特點(diǎn)：①按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)②調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量?、勰茈S時(shí)了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（閉環(huán)）３）存在問題：①必須有偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用②調(diào)節(jié)不及時(shí)，被控變量總是變化的2、前饋控制系統(tǒng)：１）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點(diǎn)，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時(shí)，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。２）定義：是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對(duì)操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3)

特點(diǎn):①按干擾進(jìn)行控制，控制及時(shí)，精度高。②僅僅對(duì)前饋量有控制作用③不能隨時(shí)了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（開環(huán)）1.反饋控制系統(tǒng)6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部干擾相對(duì)應(yīng)的值，也就是說需要有一個(gè)變化過程，這個(gè)變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。當(dāng)系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出值達(dá)到與輸入相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)。在時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線的參數(shù)來表示。系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程有三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸圖6.14

單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線Ts—上升時(shí)間Ty—延滯時(shí)間Tt—調(diào)整時(shí)間%—最大超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定或雖然穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時(shí)，可先調(diào)整系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)，如仍不能滿足使用要求就需要校正，最簡單的校正網(wǎng)絡(luò)是PID調(diào)節(jié)器（P—比例、I—積分、D—微分）。圖6.14單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線Ts—上升時(shí)間當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)(1)PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖6.15

有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)類型所對(duì)應(yīng)的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)(1)PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖6.15有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)各種調(diào)節(jié)類型的特點(diǎn)及應(yīng)用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp的大小。Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也越好，但Kp太大會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其主要缺點(diǎn)是存在誤差。因此，對(duì)于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨(dú)采用比例(P)調(diào)節(jié)。積分(I)調(diào)節(jié)：主要優(yōu)點(diǎn)是能減少或消除誤差，但由于它響應(yīng)慢，故很少單獨(dú)采用。比例-積分(PI)調(diào)節(jié)：即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)：無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動(dòng)態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質(zhì)均比PI調(diào)節(jié)得到了改善，因此其應(yīng)用最為廣泛，但由于它含有微分作用，在噪聲大或要求響應(yīng)快的系統(tǒng)最好不要使用。各種調(diào)節(jié)類型的特點(diǎn)及應(yīng)用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取(2)PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用m為調(diào)節(jié)器的輸出；e為偏差信號(hào)；Kp為比例增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)(2)PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)課件積分比例微分被控對(duì)象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID調(diào)節(jié)原理：P（Proportional）：控制信號(hào)的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動(dòng)態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：積分比例微分被控對(duì)象r(t)+––+++u(t))c(t)6.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響(1)結(jié)構(gòu)諧振的影響結(jié)構(gòu)諧振（或機(jī)械諧振）——由傳動(dòng)裝置（或傳動(dòng)系統(tǒng)）的彈性變形而產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性變形與它的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料性能及受力狀況有關(guān)，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，因此分析起來相當(dāng)復(fù)雜。最簡單的辦法就是將整個(gè)系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負(fù)載軸上，也就是等效到負(fù)載軸上。現(xiàn)以兩級(jí)齒輪傳動(dòng)為例來討論機(jī)械諧振對(duì)系統(tǒng)的影響。機(jī)械裝置的物理模型是質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的截止頻率，對(duì)動(dòng)態(tài)性能沒影響；結(jié)構(gòu)諧振頻接近或小于系統(tǒng)的截止頻率，出現(xiàn)自激振蕩，影響大；對(duì)要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出現(xiàn)自激振蕩。閉環(huán)系統(tǒng)基本上不會(huì)受結(jié)構(gòu)諧振的影響。6.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響(1)結(jié)構(gòu)諧振的影圖6.20

兩級(jí)齒輪減速器已知：i1,i2,Tm設(shè)T1,T2,T3,1,2,3則有根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈性扭轉(zhuǎn)角正比于其所承受的扭轉(zhuǎn)力矩，即（6.44）（6.45）可見，輸出軸3的變形對(duì)系統(tǒng)的影響最大、軸2次之、軸1最?。?.46）圖6.20兩級(jí)齒輪減速器已知：i1,i2,Tm則有根據(jù)彈性(2)減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施1）提高傳動(dòng)剛度?？商岣呓Y(jié)構(gòu)諧振頻率，一般使提高結(jié)構(gòu)諧振頻率的根本方法是增加傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、減小負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和采用合理的結(jié)構(gòu)布置提高剛度的措施：①加大傳動(dòng)系統(tǒng)最后幾根軸的剛度；